DE102012109333A1

DE102012109333A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Ausbilden eines Hohlraums im Boden zum Herstellen einer im Boden eingelassenen Ortbetonstruktur

Info

Publication number: DE102012109333A1
Application number: DE201210109333
Authority: DE
Inventors: Gerhard Hudelmaier
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-10-01
Filing date: 2012-10-01
Publication date: 2014-04-03

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Aushubvorrichtung (2) zum Ausbilden eines Hohlraums (40) im Boden (4) zur Herstellung einer Ortbetonstruktur, umfassend einen um eine Rotationsachse rotierbaren Bohrer (22) zur Ausbildung des Hohlraums (40), wobei mindestens ein Mittel (9) zum selektiven Erzeugen einer Erweiterung des Hohlraums senkrecht zur Rotationsachse vorgesehen ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Aushubvorrichtung zum Ausbilden eines Hohlraums im Boden zur Herstellen einer im Boden eingelassenen Ortbetonstruktur, sowie eine Verfahren zur Anwendung der Vorrichtung.
Stand der Technik
Im Bereich der Herstellung von Gebäuden, Infrastrukturprojekten, Fundamenten und anderen baulichen Strukturen ist es bekannt, die Gründungen der jeweiligen baulichen Strukturen mit im Boden eingebrachten Ortbetonstrukturen aufzubauen. Auf diesen Ortbetonstrukturen werden dann die eigentlichen Bodenplatten, Brückenlager oder Fundamente aufgebaut. Es ist bekannt, hierzu insbesondere in schwierigen Untergründen Gründungen mittels in den Boden eingelassener Ortbetonpfeiler vorzunehmen.
Da die mit den Gründungen verbundenen Investitionen hoch sind und die Gründungen auf lange Lebensdauer ausgelegt sein müssen, müssen die Gründungen präzise, fachgerecht und von hoher Qualität ausgeführt werden.
Die Ortbetonpfeiler werden typischerweise so hergestellt, dass zunächst mittels eines entsprechenden Erdbohrers ein dem herzustellenden Ortbetonpfeiler entsprechendes Bohrloch ausgehoben wird und dann beim Herausziehen des Bohrers der sich unterhalb des Bohrers ausbildende Hohlraum mit Beton aufgefüllt wird.
Entsprechende Produktionseinrichtungen bestehen im Stand der Technik aus einer Bohrvorrichtung, welche typischer Weise auf einer beweglichen Plattform montiert ist und welche meist ein Raupenfahrgestell umfasst. An der Plattform angebracht ist ein Mast, an welchem ein vertikal absenkbarer, spezieller Erdbohrer geführt wird, welcher über einen entsprechenden Antrieb angetrieben wird. Weiterhin ist eine Betonpumpe zum Einbringen des Ortbetons in die unter dem Bohrer entstehende Gießform vorgesehen. Die Verbindung der Betonpumpe mit der Bohreinrichtung wird über eine Rohrleitung hergestellt, die an ihrem zum Bohrer hingewendeten Ende einen flexiblen Schlauch besitzt, der in das Bohrgestänge hineingeschoben wird. Dies ermöglicht eine Relativbewegung zwischen dem drehenden Bohrgestänge und dem Pumpschlauch. Eine entsprechende Abnutzung dieses Gummiteils ist jedoch die nicht erwünschte Folge.
Während sich der Erdbohrer in den Grund schraubt, wird Boden ausgehoben und an die Oberfläche befördert. Hat der Bohrer seine vorgesehene Tiefe erreicht, welche im Wesentlichen der vorherbestimmten Tiefe des herzustellenden Ortbetonpfeilers entspricht, wird der Bohrer zurückgezogen. Die in den Windungen des Bohrers sowie die über dem Bohrer befindliche Erde wird dadurch aus dem Bohrloch herausgehoben und unter dem Bohrer entsteht ein Hohlraum. Dieser durch die Bohrung hergestellte Hohlraum dient als Gießform für den Ortbetonpfahl. In diese Gießform wird durch das hohle Bohrgestänge mittels der Betonpumpe Beton eingefüllt, um den Ortbetonpfahl auszubilden.
Die Auslegung der Ortbetonpfähle wird bislang von Faktoren wie dem Platzangebot, der Beschaffenheit des Bodens oder den konstruktiven Vorrausetzungen beeinflusst. Speziell in dicht besiedelten, urbanen Gebieten kann das Platzangebot für Gründungen durch benachbarte Gebäude oder Infrastruktur wie beispielsweise Rohrleitungen oder U-Bahnschächten stark eingeschränkt sein. Ein anderes Problem kann die Beschaffenheit des Bodens darstellen. Beispielsweise kann es unerwünscht sein, dass ein Ortbetonpfahl bis zum Grundwasserspiegel reicht. Bei dem Vorhandensein von härteren Gesteinsschichten in tieferen Bereichen, welche umfangreichere Bohrarbeiten erfordern, kann es wünschenswert sein die Ortbetonpfähle so auszulegen, dass sie die problematischen Gesteinsschichten erst gar nicht erreichen. Auch konstruktive Anforderungen die sich aus der Statik der zu errichtenden Gebäude ableiten, können unerwünscht große und/oder tiefe Ortbetonpfähle erfordern.
Darstellung der Erfindung
Entsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren anzugeben, mittels welcher Ortbetonstrukturen mit hoher Qualität hergestellt werden können, deren Auslegung von den äußeren Gegebenheiten weniger beeinflusst ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Ausbilden eines Hohlraums im Boden zur Herstellung einer im Boden eingelassenen Ortbetonstruktur mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Entsprechend wird eine Aushubvorrichtung zum Ausbilden eines Hohlraums im Boden zur Herstellung einer Ortbetonstruktur vorgeschlagen, welche einen um eine Rotationsachse rotierbaren Bohrer zur Ausbildung des Hohlraums umfasst. Erfindungsgemäß ist mindestens ein Mittel zum selektiven Erzeugen einer Erweiterung des Hohlraums senkrecht zur Rotationsachse vorgesehen.
Weiterhin kann durch die Erweiterung des Hohlraums senkrecht zur Rotationsachse ein Hohlraum im Boden zur Herstellung einer Ortbetonstruktur ausgebildet werden, dessen Geometrie von einer reinen Zylinderform abweicht, wenn der Beton auch die Erweiterung ausfüllt. Dadurch kann die Ortbetonstruktur im Boden besser verankert werden, wodurch eine kleinere Auslegung der Ortbetonstruktur ermöglicht wird. Dies kann speziell bei Platzmangel oder härteren Gesteinsschichten von Vorteil sein.
Beispielsweise kann so eine schraubenförmige Ortbetonstruktur im Boden erzeugt werden, welche über einen im Vergleich zu herkömmlichen zylinderförmigen Ortbetonstrukturen verbesserten Halt besitzt. In einer weiteren Anwendung können auf diese Weise auch nagelartige (einen Hinterschnitt aufweisende) oder dübelartige (mindestens zwei Hinterschnitte aufweisende) Ortbetonstrukturen im Boden erzeugt werden, welche im Vergleich zu herkömmlichen zylinderförmigen Ortbetonstrukturen verbesserten Halt im Boden aufweisen.
Das mindestens eine Mittel zum Erzeugen der Erweiterung des Hohlraums befindet sich bevorzugt zunächst in einer ersten Position, in welcher es innerhalb des Durchmessers des Bohrers liegt. Von dieser ersten Position kann es selektiv in eine zweite Position gebracht werden, in welcher es über den Durchmesser des Bohrers hinausragt. Dadurch ist es möglich, das Mittel zum Erzeugen der Erweiterung des Hohlraums zuzuschalten, wenn es durch die Aushubvorrichtung auf eine gewünschte Tiefe gebracht worden ist. Es kann also zwischen einem reinen Betrieb der Aushubvorrichtung, in welchem das Mittel zum Erzeugen der Erweiterung des Hohlraums inaktiv ist, und einem Betrieb der Aushubvorrichtung, in welchem das Mittel zum Erzeugen der Erweiterung des Hohlraums aktiv ist, hin und her geschaltet werden.
Wird das Mittel zum Erzeugen der Erweiterung des Hohlraums von der Position innerhalb des Durchmessers des Bohrers in die zweite Position außerhalb des Bohrers gebracht, so bildet es bei einer Drehbewegung des Bohrers allein und/oder in Verbindung mit einer Längsbewegung der Aushubvorrichtung eine Furche in der Wand des Hohlraums aus. Auf diese Weise kann Bodenmaterial außerhalb der Reichweite des Bohrers abgetragen werden und durch die dabei entstehende Erweiterung des Hohlraums eine von der reinen Zylinderform abweichende Ortbetonstruktur erzeugt werden. Durch die Drehbewegung des Bohrers wird ein konstanter Materialabtrag durch das Mittel zum Erzeugen der Erweiterung des Hohlraums sichergestellt.
Weiterhin kann das mindestens eine Mittel zum Erzeugen der Erweiterung des Hohlraums bevorzugt durch einen Seilzug, weiter bevorzugt durch einen Kettenzug oder weiter bevorzugt durch ein Gestänge geschaltet werden. Dabei können der Seilzug, der Kettenzug oder das Gestänge bevorzugt mechanisch, weiter bevorzugt hydraulisch oder weiter bevorzugt elektrisch angetrieben werden. Dadurch lässt sich das mindestens eine Mittel zum Erzeugen der Erweiterung des Hohlraums von der Oberfläche aus zwischen der ersten und der zweiten Position schalten. In einer bevorzugten Weiterbildung ist das mindestens eine Mittel zum Erzeugen der Erweiterung des Hohlraums direkt schaltbar, bevorzugt über eine direkte mechanische, hydraulische oder elektrische Ansteuerung. Auf diese Weise lässt sich eine unmittelbare Ansteuerung erreichen.
In einer bevorzugten Weiterbildung kann das mindestens eine Mittel zum Erzeugen der Erweiterung des Hohlraums auch durch eine Umkehr der Rotationsrichtung des Bohrers von einer ersten Position, in welcher es innerhalb des Durchmessers des Bohrers liegt, in eine zweite Position, in welcher es über den Durchmesser des Bohrers hinausragt, geschaltet werden. Entsprechend kann durch eine einfache Umkehr der Rotationsrichtung des Bohrers ein Ein- und ein Ausschalten erreicht werden.
In einer Weiterbildung ist das mindestens eine Mittel zum Erzeugen der Erweiterung des Hohlraums entlang der Achse des Bohrers verstellbar. Dadurch kann die vertikale Position des Mittels zum Erzeugen der Erweiterung des Hohlraums unabhängig von der vertikalen Position des Bohrers relativ zu dieser verstellt werden. Dadurch kann eingestellt werden, in welcher Tiefe des Hohlraums die Erweiterung ausgebildet werden soll. Darüber hinaus können auch mehrere Erweiterungen des Hohlraums in unterschiedlichen Tiefen erzeugt werden.
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform kann mittels einer Messeinrichtung die Längsgeschwindigkeit, Position, und/oder die Winkelgeschwindigkeit der Aushubvorrichtung gemessen und mittels einer Steuerung gesteuert werden. Dies ermöglicht die Erzeugung einer hochqualitativen Erweiterung (sauberen Furche) in der Wand des Hohlraums. Darüber hinaus können Form und/oder Größe der Erweiterung hinreichend genau dokumentiert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das mindestens eine Mittel zum Erzeugen der Erweiterung des Hohlraums pflugartig ausgebildet. Auf diese Weise kann eine hinreichend genaue Erweiterung hoher Qualität ausgebildet werden.
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform ist das mindestens eine Mittel zum Erzeugen der Erweiterung des Hohlraums ein Schneidwerkzeug, ein Fräswerkzeug oder ein separat angetriebenes Fräswerkzeug. Dadurch wird das Ausbilden einer genauen Erweiterung in der Wand des Hohlraums unterstützt.
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform ist das mindestens eine Mittel zum Erzeugen der Erweiterung des Hohlraums vibrationsfähig. Dadurch kann das durch das Mittel zum Erzeugen der Erweiterung des Hohlraums bewirkte Abtragen des Erdreichs unterstützt werden. Insbesondere in hartem Erdreich kann eine durch Vibrationen hervorgerufene Auflockerung dienlich sein.
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform ist die Aushubvorrichtung ein Erdbohrer, um in an sich bekannter Weise die Grundform des Ortbetonpfeilers auszuheben.
In einer Weiterbildung wird das durch das mindestens eine Mittel zum Erzeugen der Erweiterung des Hohlraums aus der Wand des Hohlraums ausgebrochene Material zum Abtransport einer Wendel des Bohrers zugeführt. Dadurch wird der Abtransport des Bodenmaterials aus der Erweiterung ermöglicht und somit eine saubere Erweiterung frei von Materialrückständen erreicht.
In einer Weiterbildung besitzt das mindestens eine Mittel zum Erzeugen der Erweiterung des Hohlraums einen Anhang, der die Furche abstützt. Dadurch wird verhindert, dass Material aus den Wandungen der Furche, insbesondere aus der oberen und seitlichen Wandung heraus bricht. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die Ist-Form der Furche nicht von der Soll-Form der Furche abweicht. Somit kann eine Erweiterung hoher Qualität sichergestellt werden.
In einer Weiterbildung umfasst der Bohrer ein zylinderförmiges Blech, welches ein Abstützen des Bohrers an der Wand des Hohlraums ermöglicht. Dabei können Krafteinwirkungen senkrecht zur Bohrachse, welche insbesondere durch das Mittel zum Erzeugen der Erweiterung des Hohlraums hervorgerufen werden, ausgeglichen werden. Durch die senkrecht zur Bohrachse wirkenden Kräfte, wird das zylinderförmige Blech gegen die Wand des Hohlraums gedrückt. Das zylinderförmige Blech ist in Bezug auf die Bohrachse oberhalb des Mittels zum Erzeugen der Erweiterung des Hohlraums angebracht. Durch diesen vertikalen Versatz ist gewährleistet, dass das zylinderförmige Blech sich an der erweiterungsfreien Wand des Hohlraums abstützen kann. Durch die Stützfunktion des zylinderförmigen Blechs, werden der Erdbohrer sowie das Mittel zum Erzeugen der Erweiterung des Hohlraums senkrecht zur Bohrachse in Position gehalten.
Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin durch ein System mit den Merkmalen des Anspruch 13 gelöst, welches eine Aushubvorrichtung gemäß der vorbeschriebenen Varianten und eine Betonpumpe, mittels welcher Ortbeton in die sich unter dem Bohrer ausbildende Gießform gepumpt werden kann, umfasst. Dabei ist die Betonpumpe so ausgebildet, dass sie einen kontinuierlichen Volumenstrom des Ortbetons bereitstellt.
Dadurch, dass die Betonpumpe einen kontinuierlichen Volumenstrom in die Gießform einbringen kann, wird entsprechend erreicht, dass eine hochqualitative Ortbetonstruktur in den Boden eingebracht werden kann und die Fertigung dieser Ortbetonstruktur auch hinreichend genau dokumentiert werden kann.
Das System umfasst bevorzugt eine zentrale Steuervorrichtung, mittels welcher eine Steuerung der Betonpumpe, eine Steuerung des mindestens einen Mittels zum Erzeugen der Erweiterung des Hohlraums und eine Steuerung der Aushubvorrichtung miteinander synchronisierbar sind. Entsprechend kann ohne weiteren Eingriff eines Maschinisten auf diese Weise ein kontinuierliches und zuverlässiges Ausfüllen des sich unter der Aushubvorrichtung und hinter dem mindestens einen Mittel zum Erzeugen der Erweiterung des Hohlraums ausbildenden Hohlraums mit Ortbeton so erreicht werden, dass eine hochqualitative Ortbetonstruktur ausgebildet werden kann.
Bevorzugt ist eine zentrale Steuerung vorgesehen, welche die Rückzuggeschwindigkeit v_z der Aushubvorrichtung aus dem Hohlraum relativ zu der Rotationsgeschwindigkeit v_rot des mindestens einen Mittels zum Erzeugen der Erweiterung des Hohlraums steuert, und die Steuerung einen Volumenstrom V'_B des Ortbetons relativ zu der Rückzuggeschwindigkeit v_z und der Rotationsgeschwindigkeit v_rot steuert. So kann ein kontinuierliches Auffüllen der unter dem Bohrer entstehenden Gießform erreicht werden.
Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 16 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Entsprechend umfasst das Verfahren zum Ausbilden eines Hohlraums im Boden zur Herstellung einer Ortbetonstruktur mittels einer Aushubvorrichtung gemäß einer der vorbeschriebenen Varianten den Schritt des Bereitstellens eines zur Herstellung der Ortbetonstruktur entsprechenden Hohlraums im Boden mittels einer Aushubvorrichtung. Erfindungsgemäß ist weiterhin der Schritt des selektiven Erweiterns des Hohlraums senkrecht zur Rotationsachse mittels eines Mittels zum selektiven Erzeugen einer Erweiterung des Hohlraums vorgesehen.
Durch das Erweitern des Hohlraums senkrecht zur Rotationsachse können Hohlraumgeometrien erzeugt werden, die eine im Vergleich zu herkömmlichen zylinderförmigen Ortbetonstrukturen verbesserten Halt der Ortbetonstruktur im Boden aufweisen beziehungsweise bei gleichem Halt eine weniger tiefe und/oder kleinere Ortbetonstruktur erfordern.
Bevorzugt rotiert das Mittel zum Erzeugen der Erweiterung des Hohlraums mit einer Rotationsgeschwindigkeit v_rot relativ zu einer Rückzuggeschwindigkeit v_Z der Aushubvorrichtung.
Dadurch kann beispielsweise eine schraubenförmige Ortbetonstruktur im Boden erzeugt werden, welche über einen im Vergleich zu herkömmlichen zylinderförmigen Ortbetonstrukturen verbesserten Halt im Boden besitzt. Insbesondere wird dadurch eine kleinere Auslegung der Betonstruktur möglich. Weiter können geringere Tiefen der Betonstruktur ausreichend sein.
Weiter bevorzugt umfasst das Verfahren die Schritte des Rotierens des Mittels zum Erzeugen der Erweiterung des Hohlraums mit einer Rotationsgeschwindigkeit v_rot, des Positionierens des schaltbaren Mittels zum selektiven Erzeugen der Erweiterung des Hohlraums innerhalb des Durchmessers der Aushubvorrichtung, und des Herausziehens der Aushubvorrichtung aus dem Hohlraum zur Ausbildung einer einen Hinterschnitt aufweisenden Gießform.
Dadurch können nagelartige (einen Hinterschnitt aufweisende) oder dübelartige (mindestens zwei Hinterschnitte aufweisende) Ortbetonstrukturen im Boden erzeugt werden, welche über einen im Vergleich zu herkömmlichen zylinderförmigen Ortbetonstrukturen verbesserten Halt im Boden aufweisen. Insbesondere wird dadurch eine kleinere Auslegung der Betonstrukturen möglich. Weiter können geringere Tiefen der Betonstrukturen ausreichend sein.
Kurze Beschreibung der Figuren
Bevorzugte weitere Ausführungsformen und Aspekte der vorliegenden Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung der Figur näher erläutert. Dabei zeigt:
1 schematisch eine Aushubvorrichtung zum Ausbilden eines Hohlraums im Boden zur Herstellung einer Ortbetonstruktur.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Figur beschrieben. Dabei werden gleiche, ähnliche oder gleich wirkende Elemente mit identischen Bezugszeichen bezeichnet und auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente wird teilweise verzichtet, um Redundanzen in der Beschreibung zu vermeiden.
In 1 ist eine Vorrichtung 1 zum Ausbilden eines Hohlraums 40 im Boden 4 zur Herstellung einer im Boden 4 eingelassenen Ortbetonstruktur gezeigt. Die Form und die Dimensionen der herzustellenden Ortbetonstruktur werden durch einen in den Boden 4 eingebrachten Hohlraum 40 vorgegeben, welcher als Gießform 42 für den Beton 5 dient. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem in den Boden 4 eingebrachten Hohlraum 40 um ein Bohrloch.
Die Vorrichtung 1 zum Ausbilden eines Hohlraums 40 im Boden 4 zur Herstellung einer im Boden 4 eingelassenen Ortbetonstruktur umfasst eine Aushubvorrichtung 2 und ein Mittel 9 zur Erweiterung des Hohlraums 40, welche zum Erzeugen der der herzustellenden Ortbetonstruktur entsprechenden Gießform 42 im Boden 4 dienen. Weiterhin ist eine Betonpumpe 3 vorgesehen, welche zum Einbringen des Betons in die Gießform 42 dient, um schlussendlich die Ortbetonstruktur herzustellen.
Die Aushubvorrichtung 2 ist hier schematisch in Form einer Bohrvorrichtung gezeigt, welche einen Bohrer 22 in Form eines Erdbohrers umfasst, welcher an einem Bohrgestänge 24 angebracht ist. Der Bohrer 22 ist in bekannter Weise mit entsprechenden Gewindegängen und Schaufeln ausgebildet, welche je nach Beschaffenheit des Erdreiches beziehungsweise des Bodens 4 für die Bohraufgaben angepasst sein können.
Das Mittel 9 zur Erweiterung des Hohlraums ist in 1 schematisch in Form eines Schneidwerkzeugs 90 gezeigt, welches an dem Bohrgestänge 24 im unteren Bereich des Bohrers 22 schaltbar befestigt ist. Es befindet sich in der gezeigten Position in einer Arbeitsposition, in welcher es über den Durchmesser des Bohrers 22 hinausragt. Das Schneidwerkzeug 90 ist dabei an die Beschaffenheit des Erdreiches beziehungsweise des Bodens 4 angepasst. Die schaltbare Befestigung wird hier beispielsweise über eine Scharnierverbindung ermöglicht, kann aber auf jegliche andere bekannte Art und Weise ausgebildet sein.
Das Schneidwerkzeug 90 ist über einen Kettenzug 92 schaltbar. Es kann dadurch zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position (1) geschaltet werden. In der ersten Position befindet sich das Schneidwerkzeug 90 innerhalb des Durchmessers des Bohrers 22. In der zweiten Position ragt das Schneidwerkzeug 90 über den Durchmesser des Bohrers 22 hinaus, so wie in 1 gezeigt. Der Kettenzug 92 wird von einer Kettenzugantriebsvorrichtung 94 angetrieben. Die Kettenzugantriebsvorrichtung 94 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel hydraulisch ausgeführt, kann aber auf jegliche andere bekannte Art und Weise ausgebildet sein.
Das Bohrgestänge 24 ist an einem Mast 26 der Aushubvorrichtung 2 höhenverstellbar geführt, so dass der Bohrer 22 in den Boden 4 abgesenkt werden kann und nach Abschluss des Bohrvorganges wieder herausgezogen werden kann. Eine Bohrantriebsvorrichtung 28 ist vorgesehen, welche auf das Bohrgestänge 24 und entsprechend auf den Bohrer 22 wirkt und diesen in Drehung versetzt. Die Bohrantriebsvorrichtung 28 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel hydraulisch ausgeführt, kann aber auf jegliche andere bekannte Art und Weise ausgebildet sein.
Der Bohrer 22 schraubt sich bei einem Bohrvorgang in den Boden 4 herein und fördert dabei Erdreich nach oben. Auf diese Weise wird der Hohlraum 40 ausgebildet. Solange sich der Bohrer 22 allerdings noch in seinem tiefsten Punkt befindet, ist der Hohlraum 40 noch vollständig mit gelockertem Erdreich und dem Bohrer 22 samt Bohrgestänge 24 ausgefüllt. Während des Bohrvorgangs befindet sich das Schneidwerkzeug 9 in der ersten Position, in welcher es nicht über den Durchmesser des Bohrers 22 hinaus ragt. Wenn der Bohrer 22 die vorbestimmte Tiefe erreicht hat und das Bohrloch 40 entsprechend vollständig ausgebohrt ist, wird das Schneidwerkzeug 90 durch die Kettenzugantriebsvorrichtung 94 über den Kettenzug 92 von der ersten Position in die zweite Position gebracht, in welcher es über den Durchmesser des Bohrers 22 hinaus ragt. In Verbindung mit der Drehbewegung des Bohrers beginnt das Schneidwerkzeug 90 sich in die Wand des Hohlraums 40 zu schneiden und hinterlässt dabei eine Furche 46 mit den Abmessungen des Teils des Schneidwerkzeugs 9, der über den Durchmesser des Bohrers 22 hinaus ragt. Entsprechend wird eine Erweiterung 46 des Hohlraums 40 senkrecht zur Rotationsachse des Bohrers 22 erzeugt.
Ist das Schneidwerkzeug 90 in die zweite Position gebracht worden, kann der Bohrer 22 zusammen mit dem entsprechenden Aushub aus dem Hohlraum 40 herausgezogen werden, wenn auch eine Drehbewegung auf den Bohrer 22 ausgeübt wird. Durch die Überlagerung der Herausziehbewegung mit der Rotationsbewegung des Bohrers 22 bildet das Schneidwerkzeug 90 eine schraubenförmige Furche 29 in der Wand des Hohlraums 40 aus. Dabei wird das zur Erzeugung der Furche 46 heraus gebrochene Material, dem gelockerten Aushub, welcher sich in den Gewindegängen des Bohrers 22 befindet, zugeführt. Bei diesem Vorgang des Herausziehens bildet sich entsprechend unterhalb des Bohrers 22 eine schraubenförmige Gießform 42 aus. Dies ist in 1 schematisch gezeigt, wobei der Bohrer 22 bereits ein Stück zurückgezogen ist.
In diese schraubenförmige Gießform 42 wird nun Ortbeton 5 eingefüllt, um schlussendlich die Ortbetonstruktur auszubilden. In 1 ist bereits Ortbeton 5 in die sich unter dem Bohrer 22 befindliche schraubenförmige Gießform 42 eingefüllt. Der Ortbeton 5 wird über die Betonpumpe 3, über eine entsprechende Betonleitung 30 und über eine weiter unten beschriebene Ausgleichsvorrichtung 32, welche zum Ausgleichen der Bohrtiefe des Erdbohrers 22 dient, über eine Drehkupplung 38 durch eine Leitung 36 im Bohrgestänge 24 und durch den Erdbohrer 22 hindurch in die Gießform 42 eingeleitet.
Die Betonpumpe 3 in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist derart ausgebildet, dass sie einen kontinuierlichen Volumenstrom des Ortbetons ermöglicht. Entsprechend kann während der Rückzugsbewegung des rotierenden Erdbohrers 22 mit ausgeklapptem Schneidwerkzeug 90 die sich unterhalb des Erdbohrers 22 ergebende schraubenförmige Gießform 42 direkt und kontinuierlich mit Ortbeton 5 aufgefüllt werden. Dabei kann die Betonpumpe 3 so gesteuert und mit der Rückzug- sowie mit der Drehbewegung des Erdbohrers 22 synchronisiert werden, dass sich die Betonoberfläche 44 beziehungsweise das obere Ende der Betonsäule kurz unterhalb der untersten Strukturen des Erdbohrers 22 und hinter dem Schneidwerkzeug befinden. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass nur sehr kleine Bereiche der schraubenförmigen Gießform 42 beziehungsweise des Hohlraumes 40 und insbesondere der schraubenförmigen Furche 46 unabgestützt verbleiben. Zum einen wird die schraubenförmige Furche 46 entsprechend durch das Schneidwerkzeug 90 sowie den Ortbeton 5 abgestützt, zum anderen wird der Hohlraum 40 entsprechend durch den Erdbohrer 22, den sich in den Gewindegängen des Erdbohrers 22 befindlichen Aushub, sowie den Ortbeton 5 abgestützt, so dass eine Einsturzneigung der Wandungen der schraubenförmigen Furche 46 sowie der Wände des Hohlraumes 40 stark reduziert werden kann.
Diese Steuerung und Synchronisierung der Betonpumpe 3 mit der Aushubvorrichtung 2 wird so vorgenommen, dass die durch die Dreh- und Herausziehbewegung des Erdbohrers 22 erzeugte schraubenförmige Gießform 42 konstant mit Ortbeton 5 befüllt wird. Um dies zu erreichen werden die Dreh- und Herausziehbewegung des Erdbohrers 22 bestimmt und daraus das zu befüllende Volumen der Gießform 42 berechnet.
Die Bestimmung der Auszugsstrecke des Erdbohrers 22 aus dem Hohlraum 40 wird über eine Längenmesseinrichtung 60 erreicht, welche auch zur Bestimmung der Rückzuggeschwindigkeit des Erdbohrers 22 aus dem Bohrloch dient. Die Rückzuggeschwindigkeit v_z wird über die Längenmesseinrichtung 60 als Rückzugsstrecke pro Zeit bestimmt.
Die Längenmessung der schraubenförmigen Furche 46 basiert auf einer Drehzahlmesseinrichtung, welche die Anzahl Umdrehungen des Bohrgestänges 24 misst. Zur exakten Bestimmung der Länge der schraubenförmigen Furche 46 wird zusätzlich auf die Ergebnisse Längenmesseinrichtung 60 zurückgegriffen. Darüber hinaus kann mit der Drehzahlmesseinrichtung auch die Drehgeschwindigkeit v_rot des Bohrgestänges 24 gemessen werden.
Aus der bekannten Querschnittsfläche F_R des Hohlraums 40 und der Rückzuggeschwindigkeit v_Z des Erdbohrers 22, welche beispielsweise über die Längenmesseinrichtung 60 bestimmt wird, kann ermittelt werden wie sich das Volumen V_H des durch den Erdbohrer 22 erzeugten Hohlraums unterhalb des Erdbohrers 22 im Zeitverlauf entwickelt.
Da bekannt ist, wie groß die Fläche F_S ist, die das Schneidwerkzeug 90 überstreicht, welches über den Durchmesser des Bohrers 22 hinaus ragt, beispielsweise über Höhe und Breite der Furche 46, kann aus dieser Fläche F_S und der bekannten Länge der Furche 46, direkt berechnet werden, wie sich das Volumen V_F der Furche 46 unterhalb des Erdbohrers 22 im Zeitverlauf entwickelt.
Entsprechend wird der Gießform 42 ein Betonvolumen V_B zugeführt, welches über den Zeitverlauf hinweg der Summe der Volumina V_H und V_F der Gießform 42 entspricht.
Die Betonpumpe 3 wird entsprechend so angesteuert, dass in der sich unterhalb des Erdbohrers 22 ausbildende Gießform 42 stets ein definierter Betonspiegel herrscht. Entsprechend ist auch die Betonoberfläche 44 immer gleich weit von den untersten Strukturen des Erdbohrers 22 beabstandet.
Um den Volumenstrom und das Volumen des Ortbetons genau bestimmen zu können, ist die Betonpumpe 3 eine solche, welche einen kontinuierlichen Betonstrom liefern kann. Eine solche Betonpumpe ist beispielsweise in EP 1 599 672 A1 beschrieben.
Die Betonpumpe 3 sowie die Aushubvorrichtung 2 werden über eine zentrale Steuervorrichtung 7 angesteuert, welche in 1 schematisch als in der Aushubvorrichtung 2 angeordnet gezeigt ist. Die Steuervorrichtung 7 kann jedoch an jeder beliebigen anderen geeigneten Stelle angeordnet sein – beispielsweise in der Betonpumpe 3 oder auch als separate Einheit. Die Kommunikation der zentralen Steuervorrichtung 7 mit der Betonpumpe 3 und der Aushubvorrichtung 2 kann entweder drahtgebunden (elektrisch, elektronisch oder optisch) oder drahtlos stattfinden.
Die zentrale Steuereinrichtung 7 koordiniert und synchronisiert die Dreh- und Rückzugbewegung des Erdbohrers 22 einschließlich des Schneidwerkzeuges 90 mit der Bereitstellung des Ortbetonstroms aus der Betonpumpe 3. Schematisch gezeigt ist in 1 die Anbindung der zentralen Steuervorrichtung 7 an eine Steuerung 70 der Betonpumpe 3 sowie an eine Steuerung 72 der Aushubvorrichtung 2. Die Aushubvorrichtung 2 sendet in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel über die Längenmesseinrichtung 60 und die Drehzahlmesseinrichtung die entsprechenden Sensorsignale an die Steuerung 72. Die Steuerung 72 der Aushubvorrichtung 2 kennt darüber hinaus auch die Beschaffenheit des Erdbohrers 22 und entsprechend auch dessen Querschnittsfläche und damit auch die Querschnittsfläche F_R des Hohlraumes 40, sowie die Beschaffenheit des Schneidwerkzeuges 90 und entsprechend auch die Höhe und Breite der Furche 46 und damit auch die Querschnittsfläche F_S der Furche 46. Diese Daten werden an die zentrale Steuervorrichtung 7 kommuniziert.
Die Steuerung 70 der Betonpumpe 3 steuert die Funktionen der Betonpumpe und sorgt dafür, dass ein von der zentralen Steuervorrichtung 7 vorgegebener Volumenstrom des Ortbetons V_B konstant und kontinuierlich gesteuert eingehalten wird.
Weiterhin ist der Anschluss der Betonleitung 30 an das Bohrgestänge 24 in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel über die Ausgleichsvorrichtung 32 gelöst, welche in dem gezeigten Ausführungsbeispiel als Scherenmechanismus ausgebildet ist. Auf diese Weise kann ein Anschluss der Betonleitung 30 an das Bohrgestänge 24 so erreicht werden, dass zum einen eine verschleißarme Anbindung erreicht wird, da hier eine Einbindung über eine Drehkupplung 38 vorgenommen wird, zum anderen werden auch durch die vorgegebene konstante Geometrie und insbesondere die vorgegebene maximale Förderhöhe konstante Förderbedingungen für den Beton vorgegeben, derart, dass die Steuerung des Volumenstromes des Ortbetons V_B weiter präzisiert werden kann. Insbesondere ändert sich die zu erreichende Förderhöhe für die Betonpumpe 3 durch diese Anordnung nicht.
Um das Produktionsergebnis festzustellen und beurteilen zu können, ist es hilfreich, eine Dokumentation des gesamten Ablaufes festzuhalten. Hierzu kann in der zentralen Steuervorrichtung 7 aufgrund der der Steuerung 72 der Aushubvorrichtung 2 empfangenen Daten, sowie der von der zentralen Steuervorrichtung 7 selbst generierten Daten und Steuerbefehle ein Protokoll erstellt werden.
Für die Durchführung des Verfahrens ist es zunächst erforderlich, den Ort, an dem gebohrt werden soll, festzulegen. Eine genaue Ortsbestimmung kann beispielsweise über GPS stattfinden. Die GPS Daten können dann auch im Protokoll gespeichert werden. Dann muss Beton bereitgestellt werden und die Ausbildung der schraubenförmigen Furche 46, wie beispielsweise die Steigung der Furche 46, festgelegt werden.
Nachdem die oben genannten Parameter eingestellt sind, beginnt der Dreh- und Ziehvorgang sowie der Pumpvorgang in gleicher Weise und simultan. Dieser Vorgang läuft von der zentralen Steuervorrichtung 7 gesteuert automatisch ab, kann aber visuell kontrolliert werden und manuell feinreguliert werden, indem Drehgeschwindigkeit, Ziehgeschwindigkeit oder Pumpvolumen separat verändert werden.
Sehr hilfreich ist es für den Herstellungsprozess, wenn die Position des Erdbohrers 22 und das Schneidwerkzeug 90, in ihrem jeweiligen Zustand visuell sichtbar gemacht werden. Die Position des Bohrers 22 ergibt sich über die Längenmesseinrichtung 60 der Aushubvorrichtung 2 in Kombination mit der Kenntnis der Geometrie des Bohrers 22. Die Position des Schneidwerkzeuges 9 ergibt sich über die Drehzahlmesseinrichtung in Kombination mit der Kenntnis über die Geometrie des Teils des Schneidwerkzeuges 90, welcher über den Durchmesser des Erdbohrers 22 hinausragt (Querschnittsfläche F_S der Furche 46).
In einer bevorzugten Ausführungsform wird mit dem Mittel 9 zur Erweiterung des Hohlraums 40 ein ringförmiger Hinterschnitt 48 erzeugt. Wenn der Erdbohrer 22 die vorbestimmte Tiefe erreicht hat und das Bohrloch 40 entsprechend vollständig ausgebohrt ist, wird das Schneidwerkzeug 9 durch die Kettenzugantriebsvorrichtung 94 über den Kettenzug 92 von der ersten Position in die zweite Position gebracht, in welcher es über den Durchmesser des Erdbohrers 22 hinaus ragt. In Verbindung mit der Drehbewegung des Bohrers beginnt das Schneidwerkzeug 90 sich in die Wand des Hohlraums 40 zu schneiden und hinterlässt dabei eine Furche 46 mit den Abmessungen des Teils des Schneidwerkzeugs 90, der über den Durchmesser des Erdbohrers 22 hinaus ragt. Entsprechend wird eine Erweiterung 46 des Hohlraums 40 senkrecht zur Rotationsachse des Erdbohrers 22 erzeugt. Es entsteht ein Hinterschnitt, welcher in Bezug auf die Bohrachse in Form einer ringförmigen Furche 46 ausgebildet ist. Die Drehbewegung endet und das Schneidwerkzeugs 90 wird über den Kettenzug 92 wieder in die erste Position gebracht in welcher es innerhalb des Durchmessers des Erdbohrers 22 liegt, bevor eine Rückzugbewegung des Erdbohrers 22 einschließlich des Schneidwerkzeugs 90 einsetzt.
Weiterhin kann die Auszugbewegung jederzeit gestoppt werden und ein neuer Schneidvorgang zum Erzeugen eines weiteren ringförmigen Hinterschnitts 48, wie oben beschrieben, durchgeführt werden. Auf diese Weise kann eine Gießform 42 erzeugt werden, welche mehrere ringförmige Erweiterungen 46 aufweist.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Mittel 9 zur Erweiterung des Hohlraums 40 derart an dem Bohrgestänge 24 befestigt, dass es über den Kettenzug 92 höhenverstellbar entlang des Bohrgestänges 24 positioniert werden kann. Dadurch ist die Position der Erweiterung 46 beziehungsweise der Anfang der Erweiterung 46 in Bezug auf die Länge des Hohlraums 40 frei wählbar.
In einer bevorzugten Ausführungsform besitzt das Mittel 9 zur Erweiterung des Hohlraums 40 einen Anhang 96, der die Wandungen, insbesondere die Decken- und Seitenwand, der erzeugten Furche 46 abstützt. Der Anhang wird mit dem Mittel 9 zur Erweiterung des Hohlraums 40 in die zweite Position gebracht. Zur Abstützung der Seitenwand beschreibt der Anhang einen Kreissektor, dessen Radius durch die Länge des Mittels 9 zur Erweiterung des Hohlraums 40 bestimmt wird. Bevorzugt eilt das Mittel 9 zur Erweiterung des Hohlraums 40 einschließlich dem Anhang 96 einem Ortbetonspiegel derart voraus, dass die Einsturzneigung der Wandungen der erzeugten Furche 46 stark reduziert wird.
Soweit anwendbar, können alle einzelnen Merkmale, die in den einzelnen Ausführungsbeispielen dargestellt sind, miteinander kombiniert und/oder ausgetauscht werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung zur Herstellung einer in den Boden eingelassenen Ortbetonstruktur
2: Aushubvorrichtung
22: Bohrer
24: Bohrgestänge
26: Mast der Aushubvorrichtung
28: Bohrantriebsvorrichtung
3: Betonpumpe
30: Betonleitung
32: Ausgleichsvorrichtung
36: Betonleitung im Bohrgestänge
38: Drehkupplung
4: Boden
40: Hohlraum
42: Gießform
44: Betonoberfläche
46: Furche
5: Ortbeton
60: Längenmesseinrichtung
7: zentrale Steuervorrichtung
70: Steuerung der Betonpumpe
72: Steuerung der Aushubvorrichtung
9: Mittel zum Erzeugen der Erweiterung des Hohlraums
90: Schneidwerkzeug
92: Kettenzug
94: Kettenzugantriebsvorrichtung
F_R: Querschnittsfläche des Hohlraums

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1599672 A1 [0057]

Claims

Aushubvorrichtung (2) zum Ausbilden eines Hohlraums (40) im Boden (4) zur Herstellung einer Ortbetonstruktur, umfassend einen um eine Rotationsachse rotierbaren Bohrer (22) zur Ausbildung des Hohlraums (40), gekennzeichnet durch mindestens ein Mittel (9) zum selektiven Erzeugen einer Erweiterung des Hohlraums senkrecht zur Rotationsachse.
Aushubvorrichtung (2) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Mittel (9) zum selektiven Erzeugen der Erweiterung des Hohlraums von einer ersten Position, in welcher es innerhalb des Durchmessers des Bohrers (22) liegt, selektiv in eine zweite Position, in welcher es über den Durchmesser des Bohrers (22) hinausragt, schaltbar ist.
Aushubvorrichtung (2) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (9) zum selektiven Erzeugen der Erweiterung des Hohlraums derart ausgebildet ist, dass es in der zweiten Position durch eine Drehbewegung des Bohrers (22) allein und/oder in Verbindung mit einer Längsbewegung des Bohrers (22) eine Furche (46) in der Wand des Hohlraums (2) ausbildet.
Aushubvorrichtung (2) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Mittel (9) zum Erzeugen der Erweiterung des Hohlraums durch einen Seilzug, einen Kettenzug (92) oder ein Gestänge schaltbar ist, welche bevorzugt mechanisch, hydraulisch oder elektrisch antreibbar sind und/oder das mindestens eine Mittel (9) zum Erzeugen der Erweiterung des Hohlraums direkt schaltbar ist, bevorzugt über eine direkte mechanische, hydraulische und/oder elektrische Ansteuerung.
Aushubvorrichtung (2) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Mittel (9) zum Erzeugen der Erweiterung des Hohlraums durch eine Umkehr der Rotationsrichtung des Bohrers (22) von einer ersten Position, in welcher es innerhalb des Durchmessers des Bohrers (22) liegt, in eine zweite Position, in welcher es über den Durchmesser des Bohrers (22) hinausragt, schaltbar ist.
Aushubvorrichtung (2) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Messeinrichtung die Längsgeschwindigkeit, Position, und/oder die Winkelgeschwindigkeit des Bohrers (22) messbar und mittels einer Steuerung (72) steuerbar sind.
Aushubvorrichtung (2) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Mittel (9) zum Erzeugen der Erweiterung des Hohlraums pflugartig ausgebildet ist.
Aushubvorrichtung (2) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Mittel (9) zum Erzeugen der Erweiterung des Hohlraums ein Schneidwerkzeug (90), Fräswerkzeug und/oder ein separat angetriebenes Fräswerkzeug ist.
Aushubvorrichtung (2) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Mittel (9) zum Erzeugen der Erweiterung des Hohlraums vibrationsfähig ist.
Aushubvorrichtung (2) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bohrer (22) ein Erdbohrer ist.
Aushubvorrichtung (2) gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das aus der Wand des Hohlraums (40) ausgebrochene Material zum Abtransport einer Wendel des Erdbohrers (22) zuführbar ist.
Aushubvorrichtung (2) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Mittel (9) zum Erzeugen der Erweiterung des Hohlraums einen Anhang (96) besitzt, der eine Furche (46) abstützt.
System, umfassend eine Aushubvorrichtung (2) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche und eine Betonpumpe (3), mittels welcher Ortbeton (5) in die sich unter dem Bohrer (22) ausbildende Gießform (42) pumpbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Betonpumpe (3) so ausgebildet ist, dass sie einen kontinuierlichen Volumenstrom des Ortbetons (V_B) bereitstellt.
System gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine zentrale Steuervorrichtung (7) vorgesehen ist, mittels welcher eine Steuerung der Betonpumpe (70), eine Steuerung des mindestens einen Mittels (9) zum Erzeugen der Erweiterung des Hohlraums, und eine Steuerung der Aushubvorrichtung (72) miteinander synchronisierbar sind.
System gemäß Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine zentrale Steuerung (7) vorgesehen ist, welche die Rückzuggeschwindigkeit (v_z) des Bohrers (22) aus dem Hohlraum (40) relativ zu der Rotationsgeschwindigkeit (v_rot) des mindestens einen Mittels (9) zum Erzeugen der Erweiterung des Hohlraums steuert, und die Steuerung einen Volumenstrom (V'_B) des Ortbetons (5) relativ zu der Rückzuggeschwindigkeit (v_z) und der Rotationsgeschwindigkeit (v_rot) steuert.
Verfahren zum Ausbilden eines Hohlraums (40) im Boden zur Herstellung einer Ortbetonstruktur mittels einer Aushubvorrichtung (2) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, umfassend die Schritte: a) Bereitstellen eines zur Herstellung der Ortbetonstruktur entsprechenden Hohlraums (40) im Boden mittels des Bohrers (22), gekennzeichnet durch b) selektives Erweitern des Hohlraums (40) senkrecht zur Rotationsachse mittels eines Mittels (9) zum selektiven Erzeugen einer Erweiterung des Holraums.
Verfahren gemäß Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass relativ zu einer Rückzuggeschwindigkeit (v_Z) des Bohrers (22) das Mittel (9) zum Erzeugen der Erweiterung des Hohlraums mit einer Rotationsgeschwindigkeit (v_rot) rotiert.
Verfahren gemäß Anspruch 16, die Schritte umfassend: a) Rotieren des Mittels (9) zum Erzeugen der Erweiterung des Hohlraums mit einer Rotationsgeschwindigkeit v_rot b) Positionieren des schaltbaren Mittels (9) zum selektiven Erzeugen der Erweiterung des Hohlraums innerhalb des Durchmessers des Bohrers (22), und c) Herausziehen des Bohrers (22) aus dem Hohlraum (40) zur Ausbildung einer einen Hinterschnitt aufweisenden Gießform (42).